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本科畢業(yè)設計(論文) 讀書報告（讀書筆記） 學 院： 機械與控制工程學院 課題名稱： 四自由度機械手結構設計及其PLC 控制 專業(yè)(方向) 班 級 學 生 指導教師 日 期 讀書筆記一：《淺析機械手的應用與發(fā)展趨勢》 ——機械手的現狀和發(fā)展趨勢 一、 文章摘要 機械手是:指能模仿人手和手臂的某些動作功能，用以固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現的工業(yè)機器人，也是最早出現的現代機器人。它能代替人繁重勞動，可實現生產的機械化及自動化，改善勞動環(huán)境以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子部門。目前，機械手的種類按驅動方式分為：液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按運動軌跡控制方式可分為：點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 機械手的歷史及現狀：工業(yè)用機械手的第一次發(fā)展迅猛發(fā)展是在第二次世界大戰(zhàn)，最早應用在美國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械手操作手研究，是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯合控制公司研制第一臺示教型機械手，并在1962年,研制出一種更新興的機械手，運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動。1962年美國機械鑄造公司成功研制一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運，可做點位和軌跡控制。國外的機械手在此基礎上，得到一定程度上的發(fā)展。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機器人相繼在生產中開始應用。1978年美國Unimation-Vin.am型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機控制，用于裝配作業(yè)。聯邦德國機械人制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要是用于起重運輸、焊接和設備的上下料等工作。日本是工業(yè)機械人發(fā)展最快和應用最多的國家,于1969年從美國引進后，開始大力發(fā)展機械手的研制，目前已成為世界上工業(yè)機械手應用最多的國家之一。 機械手在我國的發(fā)展：我國工業(yè)機械手研究與開發(fā)起步較晚，比歐美要晚30年左右，起步于上世紀70年代，1972年我國第一臺機械手在上海研制成功，從第七個五年計劃開始，我國政府加大了對工業(yè)機器人的重視程度，并投入大量的資金。研制有以下機器人：點焊機器人、氬弧焊機器人、裝卸載機器人等。值得注意的是中國科學沈陽自動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的機器人的控制器。與此同時，一系列的機器人關鍵部件也被研究開發(fā)出來了，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機,編碼器等等。 機械手的應用和發(fā)展趨勢,隨著自動化和機械化的發(fā)展，人們對機械手的要求也越來越高，主要體現在：（1）重復高精度。重復精度是指動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。對于某些機械手來說，重復精度甚于精度。（2）模塊化。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置的更具有靈活的安裝體系。它集成電接口、帶電纜及器官的導向系統(tǒng)裝置，可以使機械手更具靈活性。（3）無給油化。無給油化主要是為了適應食品、醫(yī)藥、紡織等無污染要求的行（4）機電一體化。智能機械手的發(fā)展是機械手發(fā)展的重要方向之一。機電一體化的核心思想在于發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件，使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 二、心得體會 通過閱讀本文章，從中了解了機械手的歷史及其應用和發(fā)展趨勢,知道一些不同種類的機械手的知識，它能代替人繁重勞動，可實現生產的機械化及自動化，改善勞動環(huán)境以保護人身安全，因而廣泛應用于工業(yè)等領域。同時，了解了，機械手的發(fā)展方向：重復高精度、模塊化、無給油化、機電一體化。 讀書筆記二：《淺談數控機床上下料機械手的機械結構設計》 ——機械手的機構設計 主編： 一、 文章摘要 結合實際操作情況，設計了一種圓柱坐標形式的數控機床上下料機械手，重點針對機械手的手爪、手腕、手臂等部分機械結構設計有詳細的介紹 1、設計目的：我國大多數工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大，生產效率低，而且具有危險性，不能滿足生產機械化和自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應現代機械行業(yè)自動生產的要求，結合機床的實際結構，利用機械手技術，設計一臺上下料機械手，代替人工工作，以提高勞動生產率。本機械手主要與數控機床組合最終形成生產線，實現加工過程的自動化和無人化。 2、機械手的結構設計:工業(yè)機械手的結構形式主要有4種：直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構和關節(jié)型結構。 圓柱坐標機械手的空間運動是用1個回轉運動及2個直線運動來實現的，其工作空間是圓柱狀。這種結構比較簡單，精度相對較高，通常運用于搬運作業(yè)。圖1為機械模擬工作布置圖，根據實際操作的要求，該機械手在工作中需要3種運動，其中手臂的伸縮和立柱的升降為直線運動，另一個為手臂的回轉運動，因此自由度為3，其工作范圍相對較大。 3、機械手各部分部件的設計:機械手手爪結構設計:手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，種類很多，根據作業(yè)方式可分為：搬運、加工用途、測量等，在滿足作業(yè)要求的前提下，機械手手爪要求具有體積小、質量小、結構緊湊、通用性強等，易于安裝和維修、易于實現計算控制。結合具體工作要求，采用連桿式手爪。它主要靠活塞的推力作用下，實現夾緊與放松運動。如圖2： 機械手臂運動為直線運動，考慮到搬運工件的重量、機械手動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性、安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅動方式，可實現連續(xù)位置控制。在設計時另外增設了導桿機構、小臂增設了2個導桿，與活塞桿一起構成等三角形的截面形式，盡量提高其剛度。 機械手手腕結構設計：機械手手腕是機械手操作機的最末端，與手爪相連接，它與機械手手臂配合，使手爪作空間運動，完成所需要的作業(yè)動作。其要求手腕設計應盡量小輕盈，結構緊湊。自由度愈多，腕部的靈活性愈高，對工作的適應能力愈強。 機械手手臂結構設計：機械手在工作時要承受一定的載荷，且其運動本身具有一定的速度，其工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度、手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系，因此手臂尺寸設計應要分析比較，選擇圓柱齒輪傳動。 機械手手臂的平衡機構設計：關節(jié)機械手手臂一般需要平衡裝置，以減少驅動器的負荷，縮短啟動時間。本機械手采用圓柱坐標式結構。 二、 心得體會 通過閱讀本文章，對畢業(yè)設計所要求相關的機械手設計有初步整體的了解，同時也有很多可以學習借鑒的地方，了解機械手結構的合理設計對于最大限度發(fā)揮機械手的工作效能有著重要的意義。并初步確定了畢業(yè)設計的方向和擬定了畢業(yè)設計的內容，是機床上下料的四自由度液壓機械手結構設計的內容方向。為后續(xù)的工作奠定了基礎，故此文章很有借鑒意義。 讀書筆記三：《PLC在工業(yè)機械手的應用研究》 ——機械手、可編程控制器、步進電機、精確定位 一、 文章摘要： 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。PLC控制機械手體積且可以現場修改和調試程序，達到對生產要求的隨時改變，因此應用PLC控制機械手可以實現各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制路線，節(jié)省成本，提高勞動生產率。 1、 機械手的定義： 機械手顧名思義就是能實現人類手部的功能，可以按設計的目的要求實現相關的動作，比如抓取物料，搬運東西等一些簡單的動作。這種自動化裝置可以代替生產車間里面繁重的人力勞作以及代替工人在一些高危環(huán)境，高危行業(yè)里面進行作業(yè)。工業(yè)機械手是近年來發(fā)展起來的高科技設備，它涉及機械、力學、自動控制、傳感器、計算機等領域，是一個跨學科的綜合性技術。 2、PLC機械手的組成： 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。構成機械手傳動及控制的主要部件是：步進電機及其驅動器，PLC、直流電機及其它部分?，F在將其主要部件功能介紹如下： （1） 步進電機： 步進電機是將數字信號轉換成機械運動的執(zhí)行機構，其是一種常用的動力驅動設備。 （2） 可編程控制器： 可編程控制器（簡稱PLC）：它是一個以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，它可采用可編程程序的存儲器，用以在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數和算術等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入，其原理如圖： (3)PLC控制器與步進電機驅動連接的工作原理: PLC控制步進電機驅動系統(tǒng)原理框架如下圖所示： 二、心得體會： 通過閱讀本文章，了解可編程程序控制的工業(yè)機械手的一些相關知識，學習了機械手的定義及組成,了解了步進電機，PLC、及它們之間的關系等，同時也知道可編程程序控制的工業(yè)機械手運轉的原理，為畢業(yè)設計的機械手控制方面，指明了方向，初步確定要設計機械手PLC控制編寫的模塊。 讀書筆記四：《基于PLC控制的液壓機械手設計》 作者：毛毅龍 羅一平 王小明 一、 文章摘要 本文基于可編程邏輯控制器( PLC) 控制的液動機械手的結構和液動工作理，根據機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案． 選取合適的PLC 型號，對PLC 系統(tǒng)的I /O 口進行分配，編制控制程序。 機械手是具有模仿人的手和臂某些動作的功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置． 它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，并可在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等行業(yè)． 控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng)，它通過控制驅動系統(tǒng)，讓執(zhí)行器按照規(guī)定的要求進行工作，并檢測其正確與否． 可編程邏輯 控制器( PLC) 具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小、維護方便等特點，是實現機電一體化的理想。 機械傳動自由度少，難以實現特別復雜的運動，而組合機床自動上下料的機械手的運動需要多個自由度才能完成，故不宜采用機械傳動方案。氣壓傳動時，氣控信號比光、電信號慢，且由于空氣的可壓縮性，工作時容易產生抖動和爬行，造成執(zhí)行機構運動速度和定位精度不可靠，效率較低。電氣傳動必須有減速裝置和將電機回轉運動變成直線運動的裝置，結構龐大、速度不易控制，而且氣液聯合控制和電液聯合控制使系統(tǒng)在結構上也很復雜。借助電子控制的液壓技術，則可以方便地實現對液壓系統(tǒng)的各種調節(jié)和控制，計算機控制的引入和各類傳感元件的應用，也極大地擴展了液壓元件的工作范圍。 機械手的手臂運動由兩個直線運動( 水平方向及豎直方向)和一個旋轉運動 ( 繞中心軸旋轉) 組成，可以完成升降、伸縮、旋轉等3 個自由度的運動． 機械手由機械系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)和液動及控制系統(tǒng)等3 部分組成． 機械手初始狀態(tài)如圖1 所示． 三、 心得體會 本文是根據春蘭公司對薄壁筒形工件自動熱套工藝的要求研制的一套自動裝卸工件的機械手，代替人手抓取并轉移被加熱的薄壁筒形筒形工件，以提高生產效率，減少工人的燙傷事故的發(fā)生?？吹綄I(yè)的投入生產使用的設計論文，我自己對于生產領域非常不熟悉，并且對于設計完全無頭緒，同時通過對生產實例的閱讀研究，在電腦扮演重要角色的今天，PLC控制的機械越來越受到人們的親賴。在圖書館查到的資料一般也都是基于PLC控制的，可見現在基于PLC的生產領域的設計已經非常多，要想能夠設計出能夠投產使用的機械產品，學習計算機編程是必不可少的。而畢業(yè)設計有關基于PLC控制的機械手，通過對本文的閱讀我了解了基于PLC控制的機械手的基本設計步驟和一般設計方法。單一具有機械知識無法同電腦控制相結合，是不能滿足現在機械行業(yè)對設計人員的要求的，故在畢業(yè)之后，應該更多的自學和自己專業(yè)相關的電腦編程方面的知識，以適應現在行業(yè)對設計人員的要求。 讀書筆記五：《機械手的基本知識（三）》 ——機械手相關知識 一、 文章摘要： 本文章主要介紹了：機械手的手部、腕部、臂部等重要的機械手的組成部分，其設計的好壞對機械手的工作機能有著直接的影響。這里不但介紹了手部、腕部、臂部等設計中的問題，而且還介紹了不同的機構的類型及其特征等。 1、 手部的類型： 手部是抓取工件或操持工具的部件，手部上直接與工件或工具接觸的部分叫手指，手指的動作一般是開閉的。其主要的形式有以下幾種，如圖所示： 1-7是夾鉗式，主要是利用夾鉗的開閉來抓取工件，按結構可分為：兩指和多指；回轉與平移，外卡和內卡，是目前使用最廣泛的一種。8-13是氣吸式，其手指是橡膠吸盤和塑料盤，利用真空吸氣、負壓吸氣和其它形式吸氣來工作。15-16是磁吸式，其手指是電磁鐵或永久磁鐵。利用磁鐵的磁性來吸住磁鐵性質的工件，它適宜抓取滾動軸承，汽車零件等。其它形式，如橡皮輪胎圈式內襯，焊槍、噴槍、扳手等一定操作等，也是常見的。 手部設計要求：具有足夠的夾緊力、具有必要的開閉角度、手部各構件要有足夠的剛度和剛度、保證一定的定位精度、結構簡單，緊湊. 手部示意圖： 心得體會： 通過閱讀本文章，了解了一些機械手的全面的知識，為畢業(yè)的機械手的設計奠定了基礎，為結構設計提供了依據。 讀書筆記六：《機械手——理論及應用》 ——控制系統(tǒng) 一、 文章摘要 控制系統(tǒng)是機械手的一個重要組成部分；是保證機械手完成動作要求的主要手段。用它可以控制機械手的工作順序、運動軌跡、動作時間和速度等，使機械手按照作業(yè)的要求去完成各項任務。 專用機械手用途單一。其控制系統(tǒng)可按動作要求和工作循環(huán)進行專門設計和制造，以確保機械手完成所需要的動作，并重復使用，無需變更。通用機械手用途多方，其控制系統(tǒng)也應適應變化的需要。它的組成較為復雜，有一套程序編制、記憶、存儲和重現的裝置。利用記憶、重現，可以自動反復地進行操作。機械手可由單機控制也可由多機控制。單機控制僅控制單項設備和所屬的機械手。而在自動流水線上有時不僅要配備一臺機械手，而且要配備多臺設備和多臺機械手，共同構成一個綜合的系統(tǒng)。 機械手控制系統(tǒng)的型式較多，按手臂的行程和定位的不同，可分為點位控制和連續(xù)控制；按記錄和信號型式不同，可分為模擬式和數字式；按控制回路的不同，可分為閉環(huán)和開環(huán)式。而在實際運用中則是根據情況的需要進行選擇或適當的組合，以構成一個統(tǒng)一的控制系統(tǒng)。 機械控制是基本的一種控制，它是利用機械設備本身的有關部件實現控制，大多用于沖床。射流控制具有結構簡單。穩(wěn)定可靠、成本低和容易操作、維護等優(yōu)點，特別對于氣動機械手采用射流控制尤為恰當。液壓控制是機械手的一種主要的控制形式。機械手的運動速度和操作時根據油的流量與壓力，就可以控制液壓機械手的速度和操作力，油壓壓力一般在每立方厘米5~140公斤范圍內，最大臂力可達160公斤以上。 液壓元件主要有方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥三大類。方向控制閥能引導或阻止液流通過某選定的通道，它只起開關作用，而不能調節(jié)流量和壓力。它通常是兩通、三通和四通型，可以采用手工或機械傳動、氣動和電動進行操作。壓力控制閥用于調節(jié)油路壓力，可分為溢流閥和減壓閥兩類，可以使單級也可以是兩級。溢流閥是常閉的，達到最大壓力時才開啟，將多余流量從旁路流掉，以保持調定的壓力。減壓閥是常開的，它的關閉是為了對管道中液流進行節(jié)制，以保持某一最低壓力。流量控制閥用來調節(jié)油路中流量，其結構形式也很多。從簡單的兩通針閥、球閥、閘門閥直至固定式和可調式帶壓力補償的流量控制閥等。總之，液壓執(zhí)行元件結構緊湊，輸出功率大，作為動力元件是十分合適的。 順控器控制是一種新型自動化控制裝置，它是根據一定的順序來確定控制內容，并專門為進行順序控制而設計的一種控制裝置。它的功能介于幾點起固定邏輯控制和電子計算機之間，并吸收二者的優(yōu)點，結構簡單，價格較低廉，因而在工業(yè)生產中得到迅速的發(fā)展和應用。 二、心得體會 選題時選擇控制部分的設計與結構部分，為了結構部分的設計更加合理，故閱讀了這本書的控制部分章節(jié)。從本章節(jié)的閱讀中我了解到了液壓控制的諸多優(yōu)點，例如：結構緊湊、控制的區(qū)間較寬等。但是液壓控制也存在一定的缺點，比如：控制系統(tǒng)比較復雜、油溫有上限等。設計要求中是使用液壓控制，那么在設計時就應該結合液壓控制的優(yōu)缺點進行結構設計。 讀書筆記七：《機械手——理論及應用》 ——機械手的組成、分類、規(guī)格與用語 一、文章摘要 執(zhí)行機構： 1.手部:手部安裝在手臂的前端。手臂得到內孔裝有傳動軸，可把動作傳給手腕，以轉動、伸屈手腕，開閉手指。 2.手臂:有無關節(jié)臂和有關節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關節(jié)臂的。多關節(jié)臂還處在研究階段。 3.軀干:軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構的支架。 驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。液壓驅動主要通過油缸、閥、油泵和油箱等實現傳動。氣壓傳動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。電氣驅動采用的不多。機械驅動只用于動作固定的場合。 機械手按照用途分可以分為專用機械手和通用機械手。按控制形式分類可分為點位控制型機械手和連續(xù)軌跡控制型機械手。專用機械手是專為一定設備服務的，簡單、實用，目前在生產中運用比較廣泛。通用機械手是在專用機械手的基礎上發(fā)展起來的。通用機械手又分簡易型、示教再現型和智能機械手、操縱是機械手等幾種。 基本形式有直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。直角坐標式機械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合實用的一種機械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標形式x、y、z三個方向的直線進行運動。圓柱坐標式機械手是應用最多的一 種機械手，它適用于搬運和測量工件。圓柱坐標是機械手有五個基本動作：①手臂水平回轉；②手臂伸縮；③手臂上下；④手臂回轉運動；⑤手抓夾緊動作。球坐標式是一種自由度較多，用途較廣的機械手。關節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作的傳動形式。它 像人手一樣有肘關節(jié)，可實現多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄空間作業(yè)。 列數是指機械手旋轉關節(jié)數，它支配著機械手的位置姿勢運算的復雜程度。它不是雅克比行列的階數。 二、心得體會 通過閱讀本章之后根據老師的要求我知道了自己設計的屬于專用機械手，使用液壓驅動，液壓驅動具有壓力高，體積小，輸出力大，動作平緩，可無級變速。自鎖方便，并能在中間位置停止的優(yōu)點。同時了解到機械手各個主要的執(zhí)行部分的功能和作用。根據基本形式和畢設的要求可知機床上下料機械手應使用圓柱坐標式，它具有直觀性好，結構簡單，本體占用空間小，而動作范圍較大的優(yōu)點，圓柱坐標式的三個運動組成正好符合上下料的專用特點。從本章就基本可以確定了設計課題機械手的基本形式。在設計內容中設計的機械手是三個自由度，一個旋轉運動和兩個直線運動。在本設計中，應該是腰座的旋轉運動，和手臂上下以及手臂伸縮的直線運動。這三個自由度的運動構成圓柱體運動，對于銑床上下料專用機械手而言就已經足夠了。我的畢業(yè)設計的機械手是圓柱坐標式，圓柱坐標式機械手列數（m）與自由度（n）之間的關系是：m=n-2.圓柱坐標型中有一個旋轉關節(jié)，所以列數為m=1,則n=3. 由于書中只給出了四個固定關節(jié)指抓取圓棒時的計算分析方法，對兩個自由關節(jié)指抓取方料時的分析方法并不是很清晰，也沒有其他類似書籍，所故計劃把這一步計算留到最后查閱相關論文時再進行。 讀書筆記八：《機械手——理論及應用》 ——軀干和傳動系統(tǒng) 一、 文章摘要 軀干和傳動系統(tǒng)是機械手的重要組成部分。機械手一般分為固定式和移動式兩種，固定式機械手是由軀干、手臂、傳動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)等組成，其手臂上都裝有手腕和手爪，它可以沿三個坐標軸移動，并繞三個軸線進行回轉。 機械手的立柱是用以支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機構，手臂的俯仰也是由聯結在立柱上的油缸驅動，立柱與機座相聯，可固定在地面上、機床設備上、或者懸掛在橫梁滑道上，也可以固定在能行走的基座上。機座是支承機械手全部重量的構件，對其結構的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。機座結構從形式上可以分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機械手工作時機座應予以固定。機座的結構與機械手的總體布置有關，對專用機械手而言，傳動和控制部分通常是單獨布置，故機座比較簡單或不設機座。集中布置的優(yōu)點是結構緊湊，管路短，占地面積少，移動、操作都比較方便。 手腕是連續(xù)手指和手臂的機構，它使手指能從不同的角度夾緊和松開工件，以增加機械手的靈活性。手腕的運動和特點是手腕可做回轉、上下彎曲和左右擺動三個動作，即具有三個自由度。手腕和手臂的動作關系是：手臂的三個自由度是用來使工件作上下、左右或前后往復移動和定位用的，而手腕的三個自由度是用來調整該工件的方向用的。在設計手腕部件時，要求結構簡單、緊湊、小巧。手腕動作的動力源要從手臂內部通過，使手腕在擺動時，油管不致于扭轉。并要求能隨時根據工作需要更換手爪，以擴大機械手的應用范圍。 對手臂結構的要求一是盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊；二是要有足夠的剛度以保證運動精度和定位精度。手臂結構設計重點是驅動力的計算和偏重力矩的計算。手臂一般有三個運動——伸縮、旋轉和升降。手臂由以下幾部分組成：動作元件，導向裝置和手臂。手臂的設計要求①手臂應承載能力大；②手臂的運動速度要適當，慣性要??；③手臂動作要靈活；④位置精度要高；⑤通用性強，能適應多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調整。盡量使手臂的重心通過回轉中心，或者離回轉中心盡量的近，以減少偏重力矩。對于雙臂同時操作的機械手，應使兩臂的布置盡量對稱于中心，以達到平衡。以上這幾項要求，有時往往相互矛盾，剛性好、載重大，結構往往粗大，導向桿也多，增加手臂自重；轉動慣量增加，沖擊力就大，位置精度就低。因此，在設計手臂時，須根據機械手抓取重量、自由度數、工作范圍、運動速度及機械手的整體布局和工作條件等各種因素綜合考慮，以達到動作準確、可靠、靈活，結構緊湊、剛度大、自重小，從而保證一定的位置精度和適應快速動作。此外，對用于熱加工的機械手，還要考慮熱輻射、手臂要較長，以遠離熱源，并須裝有冷卻裝置。對用于粉塵作業(yè)的機械手還要添裝防塵措施。由于設計要求手臂360度旋轉，所以需采用直線油缸通過齒條、齒輪或鏈條、鏈輪來實現。 夾緊機構種類很多，有機械式、吸盤式和電磁式等。根據設計要求，我認為銑床上下料機械手的夾緊機構應當使用機械式。機械式夾緊機構是最基本的一種，應用廣泛，種類繁多。如按手指運動的方式和模仿人手的動作，可分為回轉型、直進型；按夾緊方式可分為內撐式、外撐式和自鎖式；按手指書目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源則可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。 機械式夾緊機構是由驅動元件、手爪支持部件、傳動機構、手指及各種墊片、附件等組成。本設計的驅動元件是油缸，手爪支持部件固定在手臂上，傳動機構是把活塞桿的運動變?yōu)槭种搁_閉運動。 二、心得體會 通過本章的閱讀，了解了各部分的設計原則，對手臂的設計計算公式及推演方法基本理解。雖然我知道了公式，移動部件的重量如果按照10kg計算，但是起動或制動前后的速度差和起制動所需的時間我還是不明了應該帶入那些數據，所以必須找時間查找資料與請教老師。 讀書筆記九：《機械手——理論及應用》 ——機械手總體布置、作業(yè)分析、可靠性和效果 一、文章摘要 文章具體分析了各種型式的機械手的作業(yè)空間，圓柱坐標是機械手的作業(yè)空間的廣度約為直角坐標型的10倍；球坐標式是圓柱坐標型的3倍，直角坐標型的30倍；關節(jié)型又是球坐標型的3倍，直角坐標型的87倍。此外假若采用自由度為2的運動副時，則由此所涉及的作業(yè)空間更大。 機械手的場地布置前要經過一下五個步驟的分析：1.確定工作物；2.確定不同工件的重量；3.工件的數量；4.動作要求；5.按照性能指標安排作業(yè)順序。 影響機械手可靠和安全的環(huán)境因素有：1.熱：一般工作人員當環(huán)境超過48°左右而又無冷空氣冷卻時，就不能連續(xù)進行工作。因而，機械手的操作溫度最大限值可取為48度。2.振動：機械手在振動的環(huán)境下操作，常易發(fā)生故障。3.電源的干擾：大的動力電源將影響電子元件的可靠工作。4.液、氣體和粉塵的噴灑和飛濺。 高溫作業(yè)的機械手需要滿足下列條件： 1. 機械手能將坯料采用機械手，隨后取出放置在軋鋼機上。 2. 工件放置的位置精度在±2毫米以內。 3. 工件重量為30公斤（坯料加手爪重量）。 4. 手爪的伺服機構能攜帶工件，并能完成要求的角度。 利用計算機輔助設計確定作業(yè)布置首先要掌握以下的信息——采用機械手的重要技術參數；機械手應該到達的區(qū)域和位置；工作場地機械設備的俯視圖；以及柱、墻的位置等。然后，將上述信息輸入計算機內，程序開始前要先檢驗機械手的行程所能到達的區(qū)域和位置坐標。用掃描的方法取得結果，并比較不同方案可能到達的位置情況，再選擇其中最優(yōu)的一個方案。計算機顯示將表明，采用機械手后能使該工作場地實現自動化機械手。 影響機械手經濟效果的因素很多，主要有兩個方面，一為支付方面；二為節(jié)約、回收方面，分列如下： 1. 機械手成本：（1）購置費用；（2）特殊機具的配備；（3）專用裝置的制作；（4）日常維修和周期檢查；（5）動力費用；（6）折舊費用；（7）其他的資金支出。 2. 機械手費用的回收：（1）替換人員的工作量及工資額；（2）改進產品的質量；（3）增加生產能力。 標志機械手的可靠性有兩個概念，一個為故障間平均運行時間簡稱MTBF，以小時計算，另一個是停車時間。故障間平均運行時間越長，說明其可靠性越高。反之。間隔平均運行時間越短，則說明使用中的機械手故障較多，修理頻繁。停機時間，即機械手發(fā)生損壞以致停機，直至修復重新投入使用的時間。停機時間的長短與損壞程度及維修時間長短有關。機械手可靠性用故障間平均運轉時間MTBF求得： 二、心得體會 通過本章節(jié)的自學，我了解到僅僅只掌握理論的設計是遠遠不夠的，在實際的設計工作中，要綜合考慮設計工作的各個方面，環(huán)境等因素對于設計產品的影響不容忽視，它影響機械壽命的重要因素之一。設計之前要做好充分的準備工作，對設計機械的工作環(huán)境要進行實地考察，設計之后要進行準確的可靠性分析。 讀書筆記十：《機器人靈巧手》 ——概論 主編：張玉茹 李繼婷 李劍鋒 一、文章摘要 靈巧手是為多任務而研究開發(fā)的一種智能型通用機械手，其潛在的用途包括在極限或有害環(huán)境下替代人類執(zhí)行任務。人手有運動和感知兩個主要功能。運動功能使其能夠操作不同形狀和大小的物體；感知功能使其能夠通過接觸獲取物體特征，探測位置環(huán)境。人手的這兩個主要功能還必須通過肌肉的動力和大腦的控制才能實現。因此，驅動、傳感和控制才能實現。因此，驅動、傳感和控制是靈巧手的3個主要成分，也是靈巧手開發(fā)的難點。靈巧手的主要功能可以概括為抓持和操作。抓持的特征是手與物體接觸，但沒有運動。操作則既有接觸，又有相對運動。 靈巧操作的目的是使被操作物體從初始位置和姿態(tài)（簡稱位態(tài)）到達目標位姿，這一過程是通過手指有目的運動實現的。由于手指關節(jié)力矩和運動是直接的控制變量，因此，回答上述問題必須建立指關節(jié)與物體兩者之間的平衡關系。相關的基礎建模問題主要包括：①操作運動學；②抓持平衡方程；③接觸約束。在此基礎上進一步討論手指與物體在何點接觸、施加多大的平衡力才能保持操作穩(wěn)定，進而解決運動規(guī)劃和控制問題。 操作運動學描述物體、物體與手指的接觸點、指關節(jié)三者之間的運動關系。利用這些關系，當給定期望的物體運動時，可以求出對應的手指關節(jié)的運動，作為運動控制的目標值。 抓持平衡方程描述物體所受外力、物體與手指的接觸力、指關節(jié)力矩三者之間的平衡關系。利用這些關系，當已知物體所受外力時，可以求出對應的指關節(jié)力矩，作為力控制的目標值。反之，如果已知手指關節(jié)的力矩，可以預測物體所受的接觸力，從而判斷其是否靜止或將產生怎樣的運動。 接觸約束描述物體與手指的接觸將產生怎樣的力、對運動有何影響，因而影響到靈巧手操作系統(tǒng)的運動學、靜力學和動力學模型。對具體靈巧手而言，其接觸可以抽象為何種模型取決于手指與物體的材料和形狀。 靈巧操作包括接近、發(fā)生接觸、脫離接觸、操作物體能階段，是一個離散和連續(xù)時間的混合系統(tǒng)。從指定控制策略的角度將系統(tǒng)分為三個層次：上層的功能為運動規(guī)劃；下層實施運動和力的控制；中層的任務是判斷事件的發(fā)生、確定操作階段、決定階段之間如何轉換。 運動規(guī)劃包括：抓持規(guī)劃、指態(tài)規(guī)劃。抓持規(guī)劃的核心問題是如何選擇手指和手掌相對物體的位置，簡稱抓持位形。其中包括如何判斷穩(wěn)定性，如何計算和優(yōu)化接觸力。根據經驗，抓持位形的選擇主要取決于物體形狀和操作任務。指態(tài)規(guī)劃的核心問題是如何確定手指的運動，以實現期望的物體運動。這是一個復雜的動態(tài)計算工程，需要保證手指在可達空間內運動，運動過程中各手指之間沒有干涉，以及接觸力保持平衡。如果上述條件不滿足。 世界上很多國家的研究機構都開展了關于靈巧手的研究，其中中國、美國、德國、日本、意大利和匈牙利等國的研究機構，分別設計開發(fā)了靈巧手樣機。在技術方面，我們需要體積小、重量輕、力矩大的驅動器和傳動裝置，需要高性能的觸覺傳感器，其中包括對力覺、滑覺信息的感知能力，需要高性能的機器視覺和對復雜信息的快速處理能力，還需要更高的水平的只能控制等。所有這一切， 都對理論理論研究和設計創(chuàng)新提出新挑戰(zhàn)。 二、 心得體會 從本文可以看書機械手的設計關聯到很多學科和很多部門，力學、運動學、電學、高等數學等諸多學科均涉及廣泛，我設計的銑床上下料機械手屬于機械手中比較簡單的部分，但我仍然覺得困難，可見自己理論基礎不夠扎實，課外的學習也不夠。 18